JP2013231843A - 地形画像作成方法、及び地形画像作成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本願発明の課題は、従来技術が抱える問題を解決することであり、すなわち合成開口レーダー計測を実施するにあたって適切な計測計画を可能にするとともに、水部などの滑らかな平坦面の判別が可能であり、しかも従来と同程度のコストで計測できる地形画像作成方法、及び地形画像作成装置を提供することにある。
【解決手段】本願発明の地形画像作成方法は、模擬的に電磁波を照射することで地形画像を作成する方法であり、照射条件設定工程、空間演算工程、散乱強度推定工程、及び画像作成工程を備えた方法である。照射条件設定工程では、照射起点と照射方向を設定し、空間演算工程では、計測点を求めるとともに電磁波の入射角を推定する。また散乱強度推定工程では、所定の表面粗度における散乱強度を推定し、画像作成工程では、散乱強度に応じた色情報を設定して模擬地形画像を作成する。
【選択図】図４

Description

本願発明は、電磁波を利用した地形画像の作成技術に関するものであり、より具体的には、模擬的に電磁波を照射することで得られると推定される後方散乱波を基に地形画像を作成する地形画像作成方法、及び地形画像作成装置に関するものである。

広く地形を計測する場合、航空機や人工衛星を利用したステレオ写真撮影や、同じく航空機に搭載したレーザーによる手法が主流であるが、その他、人工衛星からの電磁波を利用した計測も行われている。これは対象物に向けて電磁波を発信するレーダーを用いて行うもので、地形に照射された電磁波の後方散乱波の位相差によって地形を計測する手法（干渉ＳＡＲ）と、同じく電磁波の後方散乱波の強度に応じて傾斜面等の位置や傾斜角、地表面の粗度（粗さ）を計測する手法（以下、レーダーを用い、しかも合成開口技術を伴うのが一般的であることから本手法を「合成開口レーダー計測」という。）に大別される。

合成開口レーダー計測の特長としては、ステレオ写真計測では実施できない夜間等でも計測可能であること、航空レーザー計測では実施が難しい曇天時でも計測可能であること、などが挙げられる。一方、いくつかの短所も指摘されている。例えば、現在では人工衛星からの電磁波を利用するのが一般的であることから、任意のタイミングで計測できないこと、あるいは計測データの入手に大きなコストを要することといった短所が挙げられ、水平面から入射角（以下、水平面からの入射角を単に「入射角」という。）をもって電磁波照射を行うことから、電磁波が届かない傾斜面（反対斜面）では計測できないことなども挙げられる。さらに、水部（河川やため池など）をはじめとする滑らかな平坦面では後方散乱波が極端に少ないため、滑らかな平坦面と反対斜面を区別しにくいといった短所も指摘されている。

地震災害や風水害が発生した後、速やかに地形を計測する手法としては、時刻や天候に左右されない合成開口レーダー計測が極めて有効となるが、反面、電磁波を照射する位置や方向（つまり人工衛星の位置等）によっては、崩壊などの災害状況を適切に計測できないおそれがある。しかも人工衛星が災害発生地の上空にある時間は限定的なので、極めて短い時間で適切な計測計画を立案しなければならないこともある。もちろん、あらゆる位置や方向で電磁波を照射した計測結果を入手すれば、漏れなく災害状況を発見することは可能となるが、この場合は著しくコストがかかるため現実的とは言い難い。

このように危惧される面もあるものの、災害発生後、直ちに地形を計測する手法としては、これまでも合成開口レーダー計測が注目されてきた。例えば特許文献１では、災害発生前後の２時期地形を比較することで災害状況を把握する技術を開示しており、この２時期の地形は合成開口レーダー計測によって取得することとしている。

国際公開第２００８−０１６１５３号公報

上記のとおり特許文献１は、合成開口レーダー計測によって災害発生前及び災害発生後の地形をレーダー画像データとして取得し、それぞれのレーダー画像データを比較することで災害状況を把握する技術である。災害後、気象条件等に左右されず計測できる合成開口レーダー計測は、極めて有効な計測手法であるが、いくつか難点があるのは既述のとおりである。しかしながら特許文献１では、これら難点を解決する技術が開示されていない。

すなわち、災害発生前の地形を合成開口レーダー計測によって取得するわけであるが、電磁波の照射位置や照射方向を如何にすれば適切な地形情報が得られるのか、についての解決方法は示されていない。また、合成開口レーダー計測で取得した結果に関して、水部や反対斜面を的確に判断するためには、従来から行われていたように光学画像（写真画像など）と比較することとなる。さらに、事前と事後に合成開口レーダー計測を行うことから計測機会も増えるうえ、網羅的に計測するためには広範囲にわたってしかもあらゆる照射条件で計測することとなり、多大なコストを必要とする。

本願発明の課題は、上記問題を解決することであり、すなわち合成開口レーダー計測を実施するにあたって適切な計測計画（電磁波の照射位置や照射方向等）を可能にするとともに、水部などの滑らかな平坦面の判別が可能であり、しかも従来と同程度のコストで計測できる地形画像作成方法、及び地形画像作成装置を提供することにある。

本願発明は、３次元の空間情報に基づく地形モデルに対して模擬的に電磁波を照射するシミュレーションを実施し、このシミュレーションに基づいて地形画像を作成するという点に着目したものであり、従来にはなかった発想に基づいてなされた発明である。

本願発明の地形画像作成方法は、模擬的に電磁波を照射することで地形画像を作成する方法であり、照射条件設定工程、空間演算工程、散乱強度推定工程、及び画像作成工程を備えた方法である。ここで照射条件設定工程は、電磁波の照射軌道と照射方向を含む照射条件を設定するものであり、空間演算工程は、地形モデル（地形を空間情報で表したモデル）に電磁波が照射されたときの計測点を求めるとともに、そこでの電磁波の入射角を推定するものである。また散乱強度推定工程は、地表面の傾斜を考慮した入射角（水平面からの入射角と異なり、地表面の傾斜角度と傾斜方向を考慮する入射角であり、以下、「局所入射角」という。）に基づいて所定の表面粗度における散乱強度を推定するものであり、画像作成工程は、散乱強度に応じた色情報を設定するとともに、画素に色情報を付与することで模擬地形画像を作成するものである。

本願発明の地形画像作成方法は、照射条件が略同一である模擬地形画像と実地形画像とを比較し、画素ごとに差分を算出することによって地形モデルと実地形との相違を抽出することもできる。この地形画像は、現地形に対して実際に電磁波を照射するとともに、この照射によって得られた散乱強度に基づいて作成したものである。

本願発明の地形画像作成方法では、複数の模擬地形画像を作成し、この中から所望の模擬地形画像を選定地形画像として抽出することもできる。この場合、複数の模擬地形画像は、異なる複数の照射条件を設定することによって作成される。そして、選定地形画像に対応する照射条件に基づいた実際の計測が可能となり、実地形画像を作成することができる。

本願発明の地形画像作成装置は、模擬的に電磁波を照射したときの地形画像を作成する装置であり、地形モデル記憶手段、照射条件入力手段、空間演算手段、散乱強度算出手段、及び画像作成手段を備えたものである。ここで地形モデル記憶手段は、地形モデル（地形を空間情報で表したモデル）を記憶するものであり、照射条件入力手段は、電磁波の照射軌道と照射方向を含む照射条件を入力するものである。また、空間演算手段は、地形モデルに電磁波が照射されたときの計測点を求めるとともに、そこでの電磁波の入射角を算出するものであり、散乱強度算出手段は、局所入射角に基づいて所定の表面粗度における散乱強度を算出するもので、画像作成手段は、散乱強度に応じた色情報を設定するとともに、画素に色情報を付与することで模擬地形画像を作成するものである。

本願発明の地形画像作成装置は、地形変化抽出手段を備えたものとすることもできる。ここで地形変化抽出手段は、照射条件が略同一である実地形画像と模擬地形画像を比較し、画素ごとに差分を算出することによって、地形モデルと実地形との相違を抽出するものである。なお、実地形画像とは、現地形に対して実際に電磁波を照射することで得られる地形画像である。

本願発明の地形画像作成方法、及び地形画像作成装置には、次のような効果がある。
（１）あらかじめ地形モデルを用いてシミュレーションすることにより、適切な計画に基づく合成開口レーダー計測が実施できる。この結果、無用な計測（あるいは計測結果の取得）の排除が可能となり、後続作業の迅速化を図ることができるうえ、コスト増加を抑えることがきる。
（２）例えば、災害発生後の限られた時間内であっても、迅速かつ的確に合成開口レーダー計測の計画を策定でき、必要な計測結果を選定することができる。
（３）地形モデルを利用することから水部などの滑らかな平坦面を反対斜面と分離できるので、災害状況を的確に把握することが可能となる。

合成開口レーダー計測を説明する模式図。 「表面」を説明するモデル図。 「地表面」を説明するモデル図。 本願発明の地形画像作成方法の実施手順を示すフロー図。 実際に合成開口レーダー計測を実施した後にシミュレーションを行う場合のフロー図。 標高による平面補正量を説明するモデル図。 表面粗度に応じた局所入射角と後方散乱波の散乱強度との関係を示す関係図。

本願発明の地形画像作成方法、及び地形画像作成装置の実施形態の一例を、図に基づいて説明する。

本願発明は、模擬的に合成開口レーダー計測を行う（以下、この模擬的行為を「シミュレーション」という。）ことで地形画像を作成するもので、このとき実際の地形に代えて使用するのが地形モデルである。本願発明を説明するうえでは、合成開口レーダー計測と地形モデルの技術内容を明確にする必要がある。したがって、まずは合成開口レーダー計測と地形モデルについて簡単に説明する。

（合成開口レーダー計測）
合成開口レーダー計測は、ＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）と呼ばれることもあり、既述のとおり電磁波を発信するレーダーを用いて実施する手法である。具体的には、計測対象である地形に電磁波を照射し、そのとき生ずる後方散乱波を受けてその情報を解析することで地形情報を出力する。後方散乱波とは電磁波が地形に当たったときに散乱した電磁波のことで、通常、合成開口レーダー計測では地形に対して斜方向に電磁波を照射することから、照射方向に散乱するものは前方散乱波、その逆（つまりレーダー側）に散乱するものは後方散乱波といわれている。この計測で照射する電磁波の波長は比較的長いのが特徴で、公共や民間で実施されている合成開口レーダー計測でも種々の長波長の電磁波が使用されている。例えば、Ｘバンドと呼ばれる電磁波は波長が２．５〜３．７５ｃｍであり、Ｃバンドと呼ばれるものは３．７５〜７．５ｃｍ、さらにＬバンドと呼ばれるものは２０〜６０ｃｍもある。このように長波長の電磁波であるが故に、途中に雲などの障害物があってもこれを透過して計測できるわけである。

図１は、合成開口レーダー計測を説明する模式図である。この図に示すように、上空にあるレーダーから地表面に向けて電磁波Ｐを照射し、このとき生ずる後方散乱波をレーダーで受信するのが一般的な手法である。受信した電磁波の振幅の大小、つまり後方散乱波の強度（以下、「散乱強度」という。）は、計測対象の地形状況によって異なる。例えば、電磁波の照射方向に対する地形の傾斜が垂直に近いほど強い後方散乱波を受信するし、計測対象の地形の表面が荒いほど（凹凸の程度が大きいほど）強い後方散乱波を受信する。つまり、受信した後方散乱波の散乱強度によって、地形の傾斜や表面粗度（地形表面の凹凸の程度）を推定することができる。なお図１ではレーダーを人工衛星Ｓに搭載しているが、本願発明では人工衛星Ｓに限らず、航空機をはじめ様々な移動体にレーダーを搭載することができるし、レール等でレーダーを移動させる「地上設置型ＳＡＲ（地上設置型合成開口レーダー）」と呼ばれるものを利用することもできる。

また、上記に示すレーダー計測を実施する場合、解像度が問題となる場合がある。一般に解像度を上げるためには、レーダーのアンテナを大きくすることで電磁波の指向性を絞ることになる。ところが、人工衛星Ｓなど上空から電磁波を照射するとなると、巨大なアンテナを設けることは非現実的である。そこで、人工衛星Ｓ等でレーダーを移動させながら電磁波を照射することによって、指向性を絞ったのと同様の効果を得る技術が採用されている。なお、電磁波を照射するレーダーは「開口」と呼ばれ、複数地点から電磁波を照射することで人為的に大きな開口を作り出すことを「合成開口」といい、つまりこの手法によるレーダー計測が「合成開口レーダー計測」である。

さらに、合成開口レーダー計測によれば、計測対象の平面座標を推定することもできる。図１に示すようにレーダーを人工衛星Ｓに搭載した場合、地球中心Ｏを原点とする極座標系における人工衛星Ｓの空間座標（つまりレーダーの空間座標）は特定することができる。さらに電磁波Ｐの照射方向δが分かれば、地球表面（例えば、海抜０ｍ面）と電磁波Ｐが交差する点ｋの平面座標を求めることができる。このように、実際の地形標高に応じた座標を求めることはできないものの、計測対象の概ねの平面座標を推定することはできる。

（地形モデル）
ここでいう地形モデルとは、地形を３次元の空間情報で表したモデルである。また、３次元の空間情報とは、平面座標値と高さの情報を持つ点や線、面、あるいはこれらの組み合わせで構成される情報である。さらに平面座標値とは、緯度と経度あるいはＸ座標とＹ座標で表されるものであり、高さとは標高など所定の基準水平面からの鉛直方向の距離を意味する。この３次元の空間情報は、種々の手段によって作成することができる。例えば、２枚１組のステレオ航空写真（衛星写真）を基に作成したり、航空レーザー計測によって作成したり、あるいは直接現地を測量して作成することもできる。また、二時期の合成開口レーダー計測データを用いた干渉ＳＡＲにより地形モデルを作成することもできる。

ステレオ航空写真や航空レーザー計測に基づいて作成される３次元の空間情報は、通常、「表面」を表すものである。ここで表面とは、図２にも示すように、森林や農地といった緑被物や建物など地面上に立ち上がる地物の上面を意味する。これに対して「地表面」は、図３にも示すように、緑被物や建物などを取り除いた後の面、すなわち地面のことを意味する。ここでは、「表面」を３次元の空間情報で表したものを「表層モデル」、「地表面」を３次元の空間情報で表したものを「地表モデル」ということとする。なお、表層モデルの代表的なものもとしてＤＳＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｄｅｌ）が知られており、地表モデルの代表的なものもとしてＤＥＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ）が知られている。本願発明で使用する地形モデルには、ＤＳＭなどの表層モデル、及びＤＥＭなどの表層モデルが含まれる。

（発明の概要）
つぎに、本願発明の概要について説明する。本願発明は、大別すると、「地形モデルを用いたシミュレーション」と、「シミュレーション結果と実計測結果との比較」に分けられる。まず地形モデルを用いたシミュレーションの主な内容について説明する。合成開口レーダー計測ではレーダーを移動させながら電磁波を照射するため、レーダーの軌道、つまり電磁波を発信する位置（以下、「照射起点」という。）の軌跡（以下、「照射軌道」という。）を設定する。また、電磁波を照射する方向（図１にδで示す角度で、以下、「照射方向」という。）を設定し、この条件で電磁波が地形モデルに当たった点（以下、「計測点」という。）の平面座標を求める。このとき、地形モデルを用いているので、先に説明した概ねの平面座標（海抜０ｍ面上の座標）とは異なり、実際の平面座標を求めることができるうえ、高さを求めることもできる。さらに計測点における地形傾斜、表面粗度、及び照射方向から、電磁波の局所入射角φを求め、所定の表面粗度における散乱強度を推定する。この散乱強度に応じた色情報を定めることで、地形画像（以下、シミュレーション結果に基づく地形画像を「模擬地形画像」という。）を作成することができる。

次に、シミュレーション結果と実計測結果との比較について説明する。ここでは模擬地形画像と、実際の合成開口レーダー計測で得られた地形画像（以下、実際に計測結果に基づく地形画像を「実地形画像」という。）を比較する。この場合、シミュレーションにおける照射条件（照射軌道や照射方向等）と、実計測時の照射条件は略同一（同一含む）とする。このように実地形画像と模擬地形画像を比較することで、地形モデルを作成した時期と、現在（実際に計測を行った時）との地形変化を把握することができる。

以下、要素ごとに詳述する。なお、本願発明の技術内容は地形画像作成方法の例で説明し、地形画像作成装置に特有の内容については後に説明することとする。また、本願発明の地形画像作成方法については、図４のフロー図に従って説明することとする。

（照射条件設定工程）
図４に示すＳｔｅｐ１の手順が「照射条件設定工程」である。以下の手順では、模擬的に（仮想的に）電磁波を照射したと想定して試算するため、まず照射条件を設定する。ここでいう照射条件には、照射軌道（これにより自動的に照射起点も設定される）と照射方向が含まれ、既述のとおり、照射軌道は照射起点の軌跡を意味し、照射起点は電磁波を発信する起点を意味し、照射方向は電磁波を照射する方向を意味する。なお、実際の電磁波は所定の広がりを有しているので、一つの照射起点から照射される電磁波は所定の範囲をもった照射方向が設定されると考えることができる。

（空間演算工程）
図４に示すＳｔｅｐ２の手順が「空間演算工程」である。ここでは、照射条件設定工程で設定された照射条件と、地形モデルを利用する。この地形モデルは、本願発明のために作成することもできるが、既存のものがあればもちろんこれを利用することもできる。地形モデルは３次元の空間情報で表わされているので、電磁波を照射起点と照射方向からなるベクトルと考えると、このベクトルと地形モデルが交差する点（つまり計測点）の座標は、計算によって求めることができる。もちろんこの場合、照射起点（照射軌道）と地形モデルの座標系は合わせる必要がある。

地形モデル上で計測点が特定できると、その計測点周辺の傾斜角度や傾斜方向が分かる。例えば地形モデルがＤＥＭであれば、計測点を含むメッシュ（あるいはこのメッシュ含む複数のメッシュ）から、傾斜角度や傾斜方向を定めることができる。計測点を含む面（以下、「計測面」という。）の傾斜角度や傾斜方向が特定できれば、電磁波の照射方向に対する計測面の向きが分かり、電磁波の局所入射角φ（図１）が求められる。この局所入射角φは、計測面の法線方向と照射方向がなす角である。

本工程で算出された計測点の座標は、平面補正を行うこともできる。既述のとおり、実際に行う合成開口レーダー計測でも計測点の平面座標を求めることができるが、例えば海抜０ｍ面のように仮定した平面上の座標を算出するに過ぎない。したがって、後述するようにシミュレーション結果と実計測結果を比較する場合、同一の照射条件でも両者の平面座標は理論上一致することはない。つまり、図６に示すように地形の標高Ｈの分だけ平面位置の「ずれ」が生ずるわけである。そこで、このずれを平面補正量Ｂとして算出し、シミュレーション結果と実計測結果を比較する前にあらかじめ補正を行う。この補正は、シミュレーション結果で得られた計測点の平面座標を平面補正量Ｂだけ移動させることもできるし、実計測結果により得られた計測点の平面座標を平面補正量Ｂだけ移動させることもできる。もちろんこの場合は、電磁波の照射方向を水平面に投影した方向に移動させる。なお、平面補正量は次式によって算出することができる。
平面補正量Ｂ＝標高Ｈ×ｃｏｔ（局所入射角φ）

（散乱強度推定工程）
図４に示すＳｔｅｐ３の手順が「散乱強度推定工程」である。ここでは、空間演算工程で算出された局所入射角φに基づいて後方散乱波の散乱強度を推定する。既述のとおり後方散乱波の散乱強度は、計測面の表面粗度によって異なり、電磁波の局所入射角φによって異なる。図７は、表面粗度に応じた局所入射角φと後方散乱波の散乱強度との関係を示すグラフである。なおこの図では、後方散乱波の散乱強度を「後方散乱係数」で表しており、この後方散乱係数は、発信時の電磁波の強度（振幅）と後方散乱波の散乱強度（振幅）との比を常用対数で表した値（単位はｄＢ）としている。この図に示すように、局所入射角φが大きいほど（浅い角度で計測面に照射するほど）後方散乱波の散乱強度は小さい値を示す傾向にあるが、計測面の表面粗度によってその変化の状況は異なる。また、局所入射角φと後方散乱係数（散乱強度）の関係は電磁波の波長によって異なるので、採用するレーダーに応じて適切なもの（例えば図７のようなグラフ）を採用する必要がある。

上記のとおり、局所入射角φと計測面の表面粗度が得られてはじめて散乱強度を推定することができる。局所入射角φはすでに前工程で算出されているが、表面粗度をシミュレーションで定めることは難しい。別途調査等によりあらかじめ表面粗度が得られている場合はこれを利用することができるが、そうでない場合は所定の表面粗度を設定することとなる。この場合、表面粗度を平滑面としてもよいし、粗面とすることもできるし、その中間に設定することもできる。また、地形モデル全体を一律の表面粗度とすることもできるし、光学画像（航空写真等）を参考に範囲を分けて異なる表面粗度を設定することもできる。計測面の表面粗度が設定できれば、局所入射角φに対応する散乱強度を推定する。この場合、例えば図７に示すような関係を用いて推定することができる。

これまで説明したＳｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ３の処理は、任意の照射起点における処理である。実際には、レーダーが移動しながら電磁波を照射し、これによって所定範囲の画像を作成することができるのであり、Ｓｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ３のシミュレーションでも照射起点が照射軌道上を移動することを考慮する必要がある。一般に、レーダーを搭載した移動体は、所定の線形を軌道として移動していることから、この線形に基づいて電磁波の照射範囲（つまり、計測点の集合）を計算で求めることができ、その範囲内にある計測面に対してそれぞれ散乱強度を推定することができる。もちろん、照射軌道上に複数の照射起点を設定して、それぞれの照射起点についてＳｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ３の処理を繰り返し行うこともできる。

（画像作成工程）
図４に示すＳｔｅｐ４の手順が「画像作成工程」である。これまでに計測対象となる範囲を網羅するように、計測点とこれに対応する局所入射角φ、散乱強度が得られた。ここでは、散乱強度に基づいて計測対象を画像化する。そのため、計測対象範囲を複数の小領域に細分化し、これら小領域と画像を作成するための画素に対応させる。小領域は計測点と対応させることができるので、小領域ごとに散乱強度を付与することができる。

画像として表示させるため、散乱強度をもとに色情報を付与する。ここで色情報とは、陰影、色調、きめ、模様、周囲との相互関係、周囲との複合関係、またはそれらの組み合わせを示すもので、色相や、彩度、明度といった要素によってあらわされるものである。したがって、明度（陰影）のみで表わされるいわゆる輝度も色情報に含まれる。この色情報を数値モデル化する場合は、従来から用いられている手法、すなわちＲＧＢや、ＣＭＹＫ、ＮＣＳといった画素値を用いることもできる。

例えば、散乱強度を輝度で表現する場合、散乱強度の値が大きいほど（つまり照射方向に対して垂直に近い傾斜ほど）明るく（白く）し、散乱強度の値が小さいほど暗く（黒く）することができる。このようにして、すべての画素に色情報が付与されれば、模擬地形画像としてディスプレイや紙媒体等に出力することができる。

（選定地形画像の抽出）
これまで説明したＳｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ４の手順が「地形モデルを用いたシミュレーション」であり、ここで説明するＳｔｅｐ５以降の手順が「シミュレーション結果と実計測結果との比較」である。図４に示すＳｔｅｐ５の手順「選定地形画像の抽出」では、選定地形画像を抽出する。

選定地形画像は、模擬地形画像から選ぶものであり、一つの模擬地形画像を作成してそのままから選定地形画像とすることもできるし、複数の異なる模擬地形画像を作成してその中から所望のものを選定地形画像として選ぶこともできる。複数の模擬地形画像をから抽出する場合は、模擬地形画像を確認したうえで目的にかなうものを抽出すればよい。このとき、抽出する選定地形画像は一つでも良いし、複数でもかまわない。なお、複数の異なる模擬地形画像を作成するためには、照射条件（照射軌道や照射方向）を変えながら、Ｓｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ４の手順を繰り返し行う。

（実計測）
図４に示すＳｔｅｐ６の手順「実計測」では、実際に合成開口レーダー計測を実施する。前工程（Ｓｔｅｐ５）で選定地形画像が抽出されているので、この選定地形画像に対応する照射軌道と照射方向といった照射条件は特定されている。この照射条件に従って合成開口レーダー計測を実施するわけで、いわばシミュレーション結果による模擬地形画像を、実際の計測によって再現するものである。なお、選定地形画像が複数抽出されている場合は、選定地形画像の数だけ照射条件を変えて（具体的には移動体の軌道コースを変えて）、合成開口レーダー計測を実施する。

（実地形画像の作成）
図４に示すＳｔｅｐ７の手順「実地形画像の作成」では、実際に行った合成開口レーダー計測に基づいて地形画像を作成する。合成開口レーダー計測を実施すると、実際の計測点の平面座標（例えば海抜０ｍ面上の座標）と、実際に受信した散乱強度が得られる。これらの計測結果をもとにすれば、実計測による地形画像である実地形画像を作成することができる。なお、後述するように模擬地形画像と比較することを考えれば、画素の割り付けや散乱強度と色情報との対応は、模擬地形画像を作成したときの条件と合わせることが望ましい。

Ｓｔｅｐ６とＳｔｅｐ７では、実際に合成開口レーダー計測を実施し、実際に実地形画像を作成すると説明した。しかしながら、Ｓｔｅｐ６とＳｔｅｐ７を行って得られた実地形画像を入手することができれば、自らＳｔｅｐ６とＳｔｅｐ７を実施することなく入手した実地形画像を利用することができるのは言うまでもない。

（比較・抽出）
図４に示すＳｔｅｐ８の手順「比較・抽出」では、模擬地形画像と実地形画像とを比較し、相違する箇所を抽出する。ここで抽出された相違箇所は、地形モデルを作成した時期と、現在（実際に計測を行った時）との地形変化であると考えられ、例えば間に災害発生を挟めば、地形変化が崩壊等の災害箇所であると推定することもできる。なお、模擬地形画像と実地形画像との比較は、目視で比較することもできるし、画素ごとに色情報を比較し、閾値を設けたうえで自動的に相違箇所を抽出することもできる。この場合、プログラムを利用してコンピュータに演算処理させることもできる。

（実計測後のシミュレーション）
ここまでは、図４に示すようにあらかじめシミュレーションを行い、これと同じ照射条件で実計測（実際に合成開口レーダー計測を行うこと）する手法について説明した。しかしながら、場合によってはシミュレーションを行うことなく実計測による実地形画像を入手する場合もある。図５は、このようなケースで実施する本願発明のフロー図である。この場合、実計測における照射条件を入手し、これをシミュレーションの照射条件として設定する（Ｓｔｅｐ１）。また、実計測のための照射条件を定める必要がないので、図４に示す「選定地形画像の抽出（Ｓｔｅｐ６）」は省略できる。

（地形画像作成装置）
地形画像作成装置は、おもにコンピュータに処理させるもので、複数の手段を備えた装置である。以下、それぞれの手段について説明する。

１．地形モデル記憶手段
地形モデル記憶手段は、「地形モデル」を記憶するものであり、コンピュータのハードディスクやＣＤ−ＲＯＭといった記憶媒体である。したがって地形モデルは、コンピュータで処理可能なデータ形式で形成されている。

２．照射条件入力手段
照射条件入力手段は、電磁波の照射起点と照射方向を入力するものであり、キーボードやマウスといったデバイスを使用して所定の値を入力し、入力された照射起点と照射方向はコンピュータのハードディスク等に記憶される。

３．空間演算手段
空間演算手段は、ソフトウェアを用いてコンピュータに処理させるものである。地形モデル記憶手段から「地形モデル」を読み出し、さらに入力された照射起点と照射方向を読み出す。空間演算工程（Ｓｔｅｐ２）で説明した内容をコンピュータに処理させるプログラムを実行して、計測点の座標と局所入射角φを出力する。ここで出力された計測点の座標と局所入射角φはコンピュータのハードディスク等に記憶される。

４．散乱強度算出手段
散乱強度算出手段も、空間演算手段と同様、ソフトウェアを用いてコンピュータに処理させるものである。計測点の座標と局所入射角φを読み出し、さらに使用した電磁波の波長とこれに対応する表面粗度の値（入力値又はデフォルト値）を読み出す。散乱強度推定工程（Ｓｔｅｐ３）で説明した内容をコンピュータに処理させるプログラムを実行して、散乱強度を出力する。ここで出力された散乱強度はコンピュータのハードディスク等に記憶される。この場合も、照射軌道を所定の線形ととらえて照射範囲を算出することもできるし、照射軌道上に複数の照射起点を設定して、それぞれの照射起点についての処理を繰り返し行うこともできる。

５．画像作成手段
画像作成手段も、他と同様、ソフトウェアを用いてコンピュータに処理させるものである。計測点の座標と散乱強度を読み出し、さらに散乱強度と色情報の対応テーブルを読み出す。画像作成工程（Ｓｔｅｐ４）で説明したように、画素に色情報を付与することで模擬地形画像を作成する。ここで作成された模擬地形画像は、コンピュータで処理可能なファイル形式としてコンピュータのハードディスク等に記憶される。なお、地形画像作成装置がディスプレイなどの表示手段を備えることとし、この表示手段に模擬地形画像を表示させることもできる。また、プリンタ等の出力手段を備えることし、紙媒体等に模擬地形画像を印刷することもできる。

６．地形変化抽出手段
地形変化抽出手段も、他と同様、ソフトウェアを用いてコンピュータに処理させるものである。実計測（Ｓｔｅｐ６）と実地形画像の作成（Ｓｔｅｐ７）で説明した手順で作成された実地形画像と模擬地形画像のファイルを読み出す。なお実地形画像も、模擬地形画像と同様、コンピュータで処理可能なファイル形式としてコンピュータのハードディスク等に記憶されている。比較・抽出工程（Ｓｔｅｐ８）で説明した内容をコンピュータに処理させるプログラムを実行して、相違箇所を表示手段や出力手段等に出力する。

本願発明の地形画像作成方法、及び地形画像作成装置は、地震津波災害、土砂災害、水災害、火山災害等による災害状況の把握に利用できる。例えば、活動中の火山周辺の火山灰堆積状況、崩壊、地滑り、土石流、泥流、天然ダム形成や洪水などの発生状況を把握する場合に活用することができる。その他、構造物の建設や造成などを伴う土地利用の変化や地形変化を把握する際にも応用できる。このように本願発明は、災害のみならず幅広く利用できるうえ、災害時には迅速な対策を可能にするものであり、集落や道路などの機能を速やかに復旧させるなど、産業上利用できるばかりでなく社会的にも大きな貢献を期待し得る発明である。

Ｂ 平面補正量
Ｈ 標高
Ｋ 地球表面と電磁波が交差する点
Ｏ 地球中心
Ｐ 電磁波
Ｓ 人工衛星
δ （電磁波の）照射方向
θ 入射角
φ 局所入射角

Claims (5)

1. 模擬的に電磁波を照射することで地形画像を作成する方法であって、
   電磁波の照射軌道と照射方向を含む照射条件を、設定する照射条件設定工程と、
   地形を空間情報で表した地形モデルに、前記照射条件で電磁波が照射されたときの計測点を求めるとともに、該計測点における電磁波の局所入射角を推定する空間演算工程と、
   前記局所入射角に基づいて、所定の表面粗度における散乱強度を推定する散乱強度推定工程と、
   前記散乱強度に応じた色情報を設定するとともに、前記計測点に対応する画素に該色情報を付与することで模擬地形画像を作成する画像作成工程と、を備えたことを特徴とする地形画像作成方法。
2. 現地形に対して実際に電磁波を照射するとともに、該照射によって得られた散乱強度に基づいて実地形画像を作成し、
   前記照射条件が略同一である前記模擬地形画像と前記実地形画像とを比較し、前記画素ごとに差分を算出することによって、前記地形モデルと前記実地形との相違を抽出すること、を特徴とする請求項１記載の地形画像作成方法。
3. 前記照射条件設定工程において、異なる複数の前記照射条件を設定することによって、複数の前記模擬地形画像を作成し、
   複数の前記模擬地形画像から、所望の模擬地形画像を選定地形画像として抽出し、
   前記選定地形画像に対応する前記照射条件に基づいて、現地形に対して実際に電磁波を照射すること、を特徴とする請求項１記載の地形画像作成方法。
4. 模擬的に電磁波を照射したときの地形画像を作成する装置であって、
   地形を空間情報で表した地形モデルを記憶する地形モデル記憶手段と、
   電磁波の照射軌道と照射方向を含む照射条件を、入力する照射条件入力手段と、
   前記地形モデルに、前記照射条件で電磁波が照射されたときの計測点を求めるとともに、該計測点における電磁波の局所入射角を算出する空間演算手段と、
   前記局所入射角に基づいて、所定の表面粗度における散乱強度を算出する散乱強度算出手段と、
   前記散乱強度に応じた色情報を設定するとともに、前記計測点に対応する画素に該色情報を付与することで模擬地形画像を作成する画像作成手段と、を備えたことを特徴とする地形画像作成装置。
5. 前記照射条件が略同一である前記模擬地形画像と実地形画像とを比較し、前記画素ごとに差分を算出することによって、前記地形モデルと前記実地形との相違を抽出する地形変化抽出手段を、備え、
   前記実地形画像は、現地形に対して実際に電磁波を照射するとともに、該照射によって得られた散乱強度に基づいて作成された地形画像であること、を特徴とする請求項４記載の地形画像作成装置。

Images